Méthode de résolution d’un problème Sciences Physiques

DEROULEMENT DE L’EXPOSITION

• Salutations

Merci à M.Dieng(coordonnateur de cellule SP ), mes salutations à l’ensemble du corps d’encadrement (à la cellule) ici présents ainsi qu’à tous les élèves présents dans la salla. Cet atelier vise à élaborer une méthode de résolution de problèmes en Sciences.

2. Importance des Sciences Physiques : Les types de savoirs enseignés

Les Sciences Physiques visent à faire acquérir trois sortes de savoir :

• Le savoir :

C’est l’ensemble des traces du cours des documents manuels tels fascicules cours, livres ; expériences physiques et chimiques etc.…Tout ceci forme une sorte de savoir

• Le savoir être :

C’est une attitude visée, un comportement face à une expérience physique ou chimique

• Le savoir faire :

C.-à-d. la méthode la démarche à suivre pour résoudre un problème de sciences physique. C’est à ce dernier savoir que notre séminaire s’intéresse.

3. Les trois grandes étapes de résolstution d’un problème en Sciences physiques

4. Etape 1 : La reconnaissance :

On lit le sujet pour le comprendre. La compréhension d’un sujet n’est pas facile. Eviter les coups de panne intellectuelle ou de panique de ne savoir pas par où commencer. S’habituer à lire beaucoup d’exercices en s’exerçant. Apprendre à lire l’énoncé d’un exercice trois fois. La première lecture est rapide juste pour prendre connaissance du sujet .La seconde lecture est plus attentive et soignée car elle doit permettre de comprendre la situation posée par le sujet. La troisième lecture devra permettre de cerner les hypothèses ; les concepts clefs et les compétences évaluées

• Etape 2 : Résolution :

En général, la résolution d’un problème n’est jamais unique. Il existe plusieurs chemins qui mènent à la solution. L’essentiel c’est d’utiliser le chemin le plus court ; le plus précis et clair menant vers la solution. Selon la nature de la question posée, la procédure n’est pas la même. La procédure peut être par exemple

• Restitution d’un savoir déjà acquis. Si l’on n’a pas bien  appris sa leçon c.-à-d. retenir les formules les définitions et théorème etc. alors on ne pourra pas répondre

• Application d’un fait déjà assimilé en classe. A cet effet, le cour est comme une boite à outil pour résoudre la question. Les outils sont les concepts. En ouvrant la boite, il fait savoir quel outil est adéquat pour diagnostiquer la question. Ici aussi, il est important de faire beaucoup de recherche pour compléter le cours. En effet, faute de temps on ne peut pas tout expérimenter en classe.

• Comparaison de situations déjà abordées ; l’élève procède toujours en comparant l'exercice aux exercices qu’il à déjà corrigé en classe et il pense que c’est une chance, une aubaine qui lui arrive s’il tombe sur le même exercice  en devoir. Il est très important de multiplier le notre d’exercices corrigés pour avoir cette chance.

•  Une analyse de situation comme par exemple l’étude des courbes ; leur interprétation  qui fait appelle à la boite à outil et à l’esprit de discernement d’identification

• Enfin, les questions d’extension ou de validation sont général les questions dites difficiles  ou fermées qui sont des situations particulières ou l’apprenant doit mobiliser l’ensemble de ses connaissances pour faire face à la question.

• Etape 3 : Validation (vérification du résultat final ; critique ; erreur…)

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Etape 1 : La reconnaissance :

Les chapitres traités : l’effet photoélectrique et la radioactivité

• Concepts clefs : pré requis (mots importants)

• L’énergie stellaire

• L’effet photo-électrique

• Réaction de fusion nucléaire

• Objectif : compétence évaluée) étudier deux formes d’énergie

• L’énergie lumineuse (effet photoélectrique)

• L’énergie nucléaire (fusion nucléaire)

Etape 2 : Résolution :

1 L’effet photoélectrique

Compétence évaluée : La question demande de restituer un savoir déjà acquis en classe autrement dit : la définition de l’effet photoélectrique telle que instanciée en classe

Réponse : L’effet photoélectrique est le fait d’extraction d’électrons sur la surface libre d’un métal conducteur éclairé à l’aide d’une lumière monochromatique de longueur d’onde assez suffisante.

Remarque : éviter d’escamoter et dénaturer la réponse. Rester fidèle à la définition donnée en classe. Eviter de créer une définition.

2

1. Fréquence seuil u_S:

Compétence évaluée : Ici aussi, il s’agit d’une restitution d’un savoir supposé déjà connu en classe autrement dit : la définition de la fréquence seuil

Réponse : c’est la fréquence minimale d’extraction des électrons du métal conducteur sans vitesse initiale

• Chaque métal possède une valeur précise de fréquence propre. Ainsi, une lumière monochromatique arrivant sur un métal conducteur ne pourra extraire les électrons de la surface libre du métal que lorsque sa fréquence est ³à la fréquence seuil du métal. Autrement dit: l’énergie hu de l’onde incidente doit être ³à l’énergie seuil hu_S correspondant à la fréquence seuil du métal.

  1.  

• Travail d’extraction Wext:

Compétence évaluée : encore une restitution de définition. Rappelons que les définitions, théorèmes concepts clefs sont généralement écrits avec le Bic rouge ou soulignés ou encadrés

• C’est le travail minimal d’extraction des électrons du métal :Wext=hu_S

• La relation :

Compétence évaluée : la compétence évaluée est une restitution –identification d’une relation déjà établie en classe

• hu= Wext + E_c

• ®cette relation illustre la loi d’Avogadro ampère: « rien ne se perd, rien ne se crée tout se transforme »

• La valeur du travail d’extraction du métal utilisé et celle de sa fréquence seuil :

Compétence évaluée : maintenant, le problème devient un problème d’application du fait déjà acquis

• hu₁= Wext + E_c1 (1)

• u₂= Wext + E_c2 avec u₂=1,5u₁Þ1,5hu₁= Wext + E_c2 (2)

En éliminant hu1 entre les relations (1) et (2) :

Wext =(Ec₂-1,5(Ec₁)/0,5=3,3eV

hu_S=Wext ⇒u_S=Wext/h

AN :                              Wext=3,3eV

AN:                              u _S=7,98.10¹⁴Hz

• toujours vérifier le résultat final, les conversions d’unité voir critique et sens des résultats

  1. La réaction de fusion nucléaire :

Compétence évaluée : encore une restitution de définition instanciée en classe

• Une réaction de fusion nucléaire est une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s’unissent pour donner un noyau lourd

•  : Rester fidèle aux définitions

  1. Le nucléide X:

Compétence évaluée : identifier une particule en utilisant certaines lois émises dans le cours(les lois de conservations du nombre de masse et du nombre de charges

²₁H +³₁H →⁴₂He+ ^A_ZX

D’après les lois de conservations du nombre de masse et du nombre de charges :

•  A=1 et Z=0

 ^A_ZX c'est le neutron ¹₀n.

Remarque : il faut bien comprendre les lois de conservations du nombre de masse et du nombre de charges 

1.  

2. L’énergie libérée :

Compétence évaluée : La question demande une application d’une formule ou loi déjà expliquée en classe notamment la relation d’Einstein pour calculer une énergie nucléaire

²₁H +³₁H ⁴₂He+ ^A_ZX

E=Dm.c²= [m ( ⁴₂He)+m(1₀n) -m (²₁H) -m (³₁H)] .c²

AN: D E= (4, 0050+1, 00866-2, 01355-3, 01550)´931, 5=-17,596MeV DE=-17,60MeV 

• le signe moins indique que l’énergie est perdue    

En Joule :

4. E= -17,6´1,6.10^-13 = -2,82.10^-12J        DE=-2,82.10^-12J  

5. Compétence évaluée : La question posée ici est une question de comparaison de deux énergies (nucléaire et calorifique)

L’énergie libérée lors de la formation de 1 kg d’hélium :

?E'=1*?E/Au

      AN:      ?E=-2,82.10^-12J 1 noyau He (m=Au)

             ?E’= -4,22.10¹⁴J

 La masse de charbon :

1kg de charbon → 42.MJ=42.10⁶J  de chaleur

m ? de charbon→?E’   ⇒          m=?E'/42.10^-6                   

AN : m=10⁷ kg       m=1000t

Cette masse est énorme il faut 25 camions remplis chacun de 50 tonnes de charbon pour produire la même quantité d’énergie fournie par la réaction nucléaire lors de l’obtention de seulement 1kg d’hélium. C’est comme s’il fallait couper tous les arbres de la région de Tamba en les transformant en charbon pour produire une telle quantité d’énergie. Ainsi, l’on peut penser que les réactions de fusions nucléaires sont une source inépuisable d’énergie pour l’instant incontrôlable par l’homme à cause de la température trop élevée qu’elles mettent en jeu (10⁸°K).

           c)W représente de l’énergie cinétique.

Fréquence du rayonnement g : -25 %E (rayonnement)= hu d’où l’on tire u=-25 %E/ h

• u=-25 %E/ h=0,25´4,2.10¹⁴/6,62.10^-34=10²⁰ Hz            u=10²⁰ Hz            

• conclusion

• Etude pratique d’un exemple de problème en Sciences Physiques

•  

Face aux besoins sans cesse croissants en énergie électrique, les énergies renouvelables comme l’énergie solaire constituent une alternative très intéressante.

De nos jours, à partir de la lumière du Soleil, des panneaux solaires produisent de l’électricité

en utilisant l’effet photoélectrique, phénomène mis en évidence par Hertz en 1887.

La maîtrise des réactions de fusion analogues à celles qui se produisent naturellement dans le

Soleil et les étoiles est le grand défi du XXI ème siècle pour résoudre les problèmes d’énergie.

1 Définir l’effet photoélectrique.

2 Pour étudier le phénomène en laboratoire, un expérimentateur utilise une lame de métal de fréquence seuil u_S

2.1 Définir la fréquence seuil.

2.2 Lorsque le métal choisi est éclairé avec une lumière de fréquence u₁, l’énergie cinétique maximale des électrons est Ec₁ = 1,3 eV. Quand on utilise une lumière de fréquence u₂=1,5 u₁ l’énergie cinétique maximale des électrons est Ec₂ = 3,6 eV.

a) Définir le travail d’extraction Wext de l’électron pour un métal donné.

b) Donner la relation qui existe entre la fréquence de la lumière incidente, l’énergie cinétique maximale des électrons EC et le travail d’extraction Wext.

c) En déduire la valeur du travail d’extraction du métal utilisé et celle de sa fréquence seuil.

5.3 Des réactions de fusion nucléaire se produisent en permanence dans le coeur des étoiles.

C’est ainsi que le Soleil rayonne de l’énergie dans l’espace, éclaire et chauffe la Terre.

Actuellement, les scientifiques tentent de reproduire et de contrôler sur Terre ce type de à partir du deutérium ²₁H naturel et abondant et du tritium ³₁H

Dans un laboratoire, on provoque la réaction de fusion d’équation :

²₁H +³₁H ®⁴₂He+ ^A_ZX

3.1. Définir la réaction de fusion nucléaire.

3.2. Identifier la particule ^A_ZX émise au cours de la réaction et préciser son nom.

3.3 On s’intéresse à l’énergie libérée par cette réaction de fusion nucléaire.

a) Calculer, en MeV puis en joule, l’énergie libérée lors de la formation d’un noyau d’hélium.

b) En déduire l’énergie libérée lors de la formation de 1 kg d’hélium. Quelle serait la masse de pétrole qui fournirait la même quantité d’énergie ? Conclure

c) Sachant que 2,5% de l’énergie libérée lors de la formation d’un noyau d’hélium se transforme en rayonnement électromagnétique get le reste en une autre forme d’énergie W

- préciser la forme de l’énergie W

- déterminer la valeur de la fréquence du rayonnement g émis

Données

Célérité de la lumière dans le vide : c =3.10^-8m/s² constante de Planck : h = 6,62.10^-34 J.s ; charge élémentaire e = 1,6.10^-19 C ; 1 eV = 1,6.10^-19 J

Masses des noyaux : m (²₁H) = 2,01355 u; m(³₁H) = 3,01550 u ;m(⁴₂He) = 4,00150 u ; m(^A_ZX) =1,00866 u

Unité de masse atomique : 1 u = 1,67.10-27 kg = 931,5 MeV/C2

Pouvoir calorifique du pétrole : 42 MJ.kg-1 ;